مبدل‌ حرارتی: قلب تپنده صنایع و راهکارهای افزایش کارایی انرژی

مبدل‌ حرارتی برای انتقال حرارت بین یک سیال (مایع یا گاز) و سیال دیگر (مایع یا گاز دیگر) بدون تماس مستقیم دو سیال با یکدیگر مورد استفاده قرار می‌گیرند. این مبدل‌ها در فرآیندهای گرمایش و سرمایش به کار می‌روند.

مبدل‌حرارتی در طیف گسترده‌ای از کاربردها مانند تهویه مطبوع، کارخانه‌های شیمیایی، پتروشیمی، پالایشگاه‌های نفت، نیروگاه‌ها، پردازش گاز طبیعی، تبرید، تصفیه فاضلاب و گرمایش فضا استفاده می‌شوند. همچنین می‌توان آن‌ها را در موتورهای احتراق داخلی یافت که در آن‌ها به مایع خنک‌کننده موتور اجازه می‌دهند از طریق کویل‌های رادیاتور جریان یابد در حالی که هوا از کنار آن‌ها عبور می‌کند، مایع خنک‌کننده را خنک کرده و هوا را گرم می‌کند.

مثال‌های دیگر شامل سینک‌های حرارتی هستند که به طور غیرفعال حرارت را از یک دستگاه الکترونیکی یا مکانیکی به یک محیط سیال منتقل می‌کنند.

مبدل حرارتی با اجازه دادن به انتقال حرارت از یک سیال به سیال دیگر، سردتر، بدون اختلاط یا تماس مستقیم آن‌ها کار می‌کند.

به عنوان مثال، تصور کنید یک لوله با لوله دیگری در اطراف آن قرار دارد. لوله داخلی می‌تواند اجازه دهد یک سیال داغ از آن عبور کند در حالی که یک سیال سردتر به طور همزمان از لوله بیرونی عبور می‌کند. این اجازه می‌دهد تا سیال سردتر دمای سیال گرم‌تر را کاهش دهد، همانطور که سیال گرم‌تر به طور همزمان گرمای سیال سردتر را افزایش می‌دهد. البته،

این یک مثال بسیار ساده از مبادله حرارت است و عوامل دیگری نیز وجود دارند که هنگام بررسی مبدل‌های حرارتی باید در نظر گرفته شوند:

1. عبورها

با خم کردن لوله‌ها، به عنوان مثال به شکل “S”، می‌توانید اجازه دهید سیالات بیش از یک “عبور” قبل از خروج از مبدل حرارتی انجام دهند. یک عبور واحد یک لوله مستقیم است، جایی که سیال از یک انتها وارد می‌شود و به سرعت از انتهای دیگر مبدل حرارتی خارج می‌شود. یک عبور دوگانه از یک شکل “U” استفاده می‌کند، بنابراین سیال از یک انتها وارد می‌شود و از همان انتها از مبدل حرارتی خارج می‌شود، که زمان عبور سیالات از یکدیگر در مبدل حرارتی را طولانی می‌کند. یک عبور سه گانه از یک شکل “S” استفاده می‌کند که به سیال اجازه می‌دهد سه بار قبل از خروج در طول مبدل حرارتی حرکت کند. هرچه تعداد عبورها بیشتر باشد، میزان انتقال حرارت نیز بیشتر است – به این دلیل ساده که سیالات برای مدت طولانی‌تری در سیستم با هم هستند – اگرچه این همچنین می‌تواند منجر به افت فشار و کاهش سرعت شود.

2. عبور دمایی

عبور دمایی زمانی رخ می‌دهد که گرمای سیال سردتر شروع به عبور با دمای سیال گرم در مبدل حرارتی می‌کند. به عنوان مثال، روغن وارد یک مبدل حرارتی در دمای 80 درجه سانتیگراد در کنار آب در دمای 30 درجه سانتیگراد، می‌تواند شاهد عبور دمای خود باشد اگر روغن تا 50 درجه سانتیگراد کاهش یابد و آب به 51 درجه سانتیگراد برسد. در این مرحله سیال سردتر (آب) از روغن گرم‌تر شده است. عبور دمایی می‌تواند به طور قابل توجهی راندمان مبدل حرارتی را کاهش دهد، به ویژه هنگام خنک‌سازی. این را می‌توان با افزایش سرعت جریان خنک‌کننده (به زیر مراجعه کنید، “سرعت جریان”)، بنابراین خنک‌کننده بیشتری در سیستم وجود دارد، اجتناب کرد. در جایی که عبور دمایی اجتناب‌ناپذیر است، استفاده از یک مبدل حرارتی صفحه‌ای (به زیر مراجعه کنید، “انواع مبدل حرارتی”) بهترین راه حل است.

3. اختلاف دما

این به اختلاف دما بین خنک‌کننده و سیال گرم اشاره دارد، که در یک مبدل حرارتی مهم است، همانطور که توسط “عبور دمایی” (بالا) نشان داده شده است. خنک‌کننده باید در دمایی پایین‌تر از سیال گرم نگه داشته شود و هرچه خنک‌کننده سردتر باشد، در خارج کردن گرما از سیال گرم موثرتر خواهد بود.

4. سرعت جریان

این مقدار سیالی است که در یک دوره زمانی مشخص از یک مقطع عرضی یک لوله عبور می‌کند. این کار با محاسبه حجم سیال در زمان جریان سیال انجام می‌شود – با سرعت جریان بیشتر، توانایی مبدل حرارتی برای انتقال حرارت نیز می‌تواند افزایش یابد. با این حال، سیال بیشتر به معنای جرم بیشتر برای حمل و نقل است، و همچنین افزایش افت فشار و سرعت.

انواع مبدل حرارتی

مبدل‌های حرارتی می‌توانند بر اساس آرایش جریان یا بر اساس طراحی خود مبدل حرارتی طبقه‌بندی شوند.

سه طبقه‌بندی اصلی آرایش جریان یافت شده در مبدل‌های حرارتی جریان موازی، جریان مخالف و جریان متقاطع هستند:

• جریان موازی: دو سیال از یک انتهای مبدل حرارتی وارد می‌شوند و قبل از خروج با هم به صورت موازی حرکت می‌کنند.
• جریان مخالف: سیالات از طرفین مخالف مبدل حرارتی وارد می‌شوند و در جهت مخالف در سیستم حرکت می‌کنند. این کارآمدترین آرایش جریان است، زیرا میانگین اختلاف دما بین سیالات در سراسر سیستم بالاتر باقی می‌ماند.
• جریان متقاطع: در این شکل از مبدل حرارتی، سیالات به صورت عمود (با زاویه راست) بر یکدیگر حرکت می‌کنند.

انواع مبدل حرارتی

علاوه بر آرایش جریان، مبدل‌های حرارتی می‌توانند بر اساس طراحی فیزیکی مبدل حرارتی نیز طبقه‌بندی شوند:

لوله دوبل: این ساده‌ترین نوع مبدل حرارتی مورد استفاده توسط صنعت است. همانطور که از نام آن پیداست، اینها شامل دو لوله هستند که سیالات می‌توانند از طریق آن‌ها جریان یابند. پیکربندی جریان می‌تواند موازی یا جریان مخالف باشد، جریان مخالف کارآمدتر است در حالی که جریان موازی بهتر است اگر دو سیال نیاز به رسیدن به یک دما داشته باشند. این مبدل‌های حرارتی طراحی و نگهداری آسان و ارزان هستند اما نسبت به سایر طرح‌ها سطح کارایی نسبتاً پایینی دارند.

پوسته و لوله: مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله از مجموعه‌ای از لوله‌های فلزی استفاده می‌کنند که یک سیال از طریق آن‌ها جریان می‌یابد، احاطه شده توسط یک پوسته مهر و موم شده که سیال دوم از طریق آن جریان می‌یابد. این نوع مبدل حرارتی با همه انواع جریان کار می‌کند – موازی، جریان مخالف و جریان متقاطع – و می‌توان آن را در لوکوموتیوهای بخار یافت. صفحات برای هدایت جریان سیال، القای ارتعاش در سیال و پشتیبانی از لوله‌ها استفاده می‌شوند، در حالی که بالک‌ها نیز می‌توانند با فناوری‌های خنک‌سازی هوا (مانند میان‌سردکن‌های موتور احتراق داخلی) برای افزایش سطح انتقال حرارت استفاده شوند.

صفحه/بالک: این نوع مبدل حرارتی از پشته‌های صفحات فلزی نازک استفاده می‌کند که توسط بالک‌ها برای تشکیل سطوح، مانند طبقات یک ساختمان، جدا نگه داشته می‌شوند. با این حال، هر یک از این “طبقات” خودکفا هستند و از طبقه بالا یا پایین جدا شده‌اند، که یک سری مهر و موم شده از لوله‌ها را ایجاد می‌کنند که سیالات می‌توانند از طریق آن‌ها جریان یابند.

این یک سطح بزرگ ایجاد می‌کند که قادر است به سرعت گرما را مبادله کند در حالی که همچنین جریان سیال در کل سطح انتقال حرارت را تضمین می‌کند، از رکود و تجمع سیال جلوگیری می‌کند. صفحات می‌توانند در اندازه‌ها، عمق‌ها و شکل‌های مختلف، از جمله صفحات موجدار، صفحه و قاب، صفحه و پوسته یا صفحات مارپیچی ساخته شوند. یک آشفتگی جریان بالا بین صفحات انتقال حرارت بیشتری و کاهش فشار ایجاد می‌کند. این نوع مبدل حرارتی در کاربردهایی مانند کوره‌های گازی و دیگ‌های بخار استفاده می‌شود.

خنک‌سازی هوا: این نوع مبدل حرارتی معمولاً در وسایل نقلیه و سایر کاربردهای متحرک یافت می‌شود که آب خنک در دسترس نیست. سیستم‌های خنک‌سازی هوا به جای دو مایع، از هوای خنک یک فن یا جریان هوای ایجاد شده توسط حرکت خود وسیله نقلیه استفاده می‌کنند.

کندانسورها، دیگ‌های بخار و تبخیرکننده‌ها: این نوع مبادله حرارت مستحق ذکر ویژه است زیرا به روش کمی متفاوت از روش‌های قبلاً توضیح داده شده کار می‌کند. اینها به جای وارد کردن دو سیال (گرم و سرد)، از خنک‌سازی و چگالش یک گاز داغ به شکل مایع (و بالعکس) برای ایجاد یک چرخه انتقال حرارت استفاده می‌کنند. این فرآیند مورد استفاده توسط توربین‌های بخار و ژنراتورهای بخار است که از چرخه بخار شدن آب به بخار و خنک‌سازی بعدی آن به مایع استفاده می‌کنند.

بازچرخان‌ها: یک بازچرخان یک مبدل حرارتی است که برای گرفتن حرارتی طراحی شده است که در غیر این صورت از بین می‌رفت، مانند حرارتی که از یک ساختمان خارج می‌شود. هوای گرم از طریق یک کانال در کنار یک کانال جداگانه، ورودی سیال خنک هدایت می‌شود تا یک جریان مخالف ایجاد کند. این نحوه کار یک سیستم تهویه بازیابی حرارت است، به یک ساختمان اجازه می‌دهد بدون از دست دادن تمام گرمای هوای گرمتر خروجی، با هوای تازه تهویه شود.

بازگرداننده‌ها: این نوع مبدل حرارتی به هر دو سیال ورودی و خروجی اجازه می‌دهد تا در زمان‌های مختلف در جهت مخالف از طریق یک کانال حرکت کنند. همانطور که سیال گرم جریان می‌یابد، مقداری از گرمای خود را از دست می‌دهد، سپس، همانطور که سیال سرد جریان می‌یابد، مقداری از گرمای باقیمانده را که در آنجا باقی مانده است را جذب می‌کند. این نوع مبادله حرارتی در یک موتور استرلینگ استفاده می‌شود که از یک پیستون برای فشار دادن گاز به دام افتاده بین یک منبع حرارت (مانند آتش) و یک ناحیه خنک‌تر یا “چاه” استفاده می‌کند، جایی که گرما از بین می‌رود. این نوع مبدل حرارتی با “بازسازی” گرما، اتلاف گرما را در یک سیستم کاهش می‌دهد.

مواد مبدل حرارتی

مبدل‌های حرارتی می‌توانند از طیف گسترده‌ای از مواد مختلف ساخته شوند، اگرچه فلزات، مانند فولاد ضد زنگ، به دلیل توانایی جذب و هدایت گرما معمولاً استفاده می‌شوند. علاوه بر فلزات، سرامیک‌ها، کامپوزیت‌های مبتنی بر فلز و سرامیک و پلاستیک‌ها می‌توانند برای ساخت مبدل‌های حرارتی استفاده شوند. هر یک از این مواد مزایای خاص خود را ارائه می‌دهند که آن‌ها را برای کاربردهای مختلف مناسب می‌کند.

فلزات هدایت حرارتی خوب، جذب گرما و مقاومت در برابر دمای بالا را ارائه می‌دهند، اما سرامیک‌ها می‌توانند برای کاربردهای دمای بالاتر از 1000 درجه سانتیگراد استفاده شوند، که فلزاتی مانند مس، آهن و فولاد را ذوب می‌کند. سرامیک‌ها همچنین با سیالات ساینده و خورنده با دمای بالا و پایین استفاده می‌شوند.

پلاستیک‌ها یا پلیمرها همچنین می‌توانند در برابر خوردگی و رسوب مقاومت کنند، و همچنین ارزان‌تر و سبک‌تر از فلزات باشند. اگرچه می‌توان آن‌ها را برای داشتن هدایت حرارتی خوب طراحی کرد، اما پلاستیک‌ها معمولاً برای کاربردهای دمای بالا مناسب نیستند. با این حال، با کاربردهای سردتر، مانند گرم کردن یک استخر یا دوش، مبدل‌های حرارتی پلاستیکی کاملاً خوب کار می‌کنند.

مبدل‌های حرارتی کامپوزیتی مزایای مواد اصلی خود را ارائه می‌دهند، مانند وزن کمتر و مقاومت در برابر خوردگی پلاستیک با هدایت حرارتی و مقاومت در برابر حرارت سرامیک یا فلز.

مواد دیگری نیز برای استفاده در مبدل‌های حرارتی مورد بررسی قرار می‌گیرند، مانند نانولوله‌های کربنی کوچک که به دلیل خواص هدایت حرارتی عالی خود به عنوان سینک‌های حرارتی حذف کننده گرما برای دستگاه‌های الکترونیکی استفاده می‌شوند.

کاربردهای مبدل حرارتی

مبدل‌های حرارتی برای طیف گسترده‌ای از کاربردها در صنعت و محصولات مصرفی مانند تهویه مطبوع و یخچال‌ها و همچنین در خودروها، هواپیماها و کشتی‌ها، دیگ‌های گازی و موارد دیگر استفاده می‌شوند.

آن‌ها برای صرفه‌جویی و استفاده مجدد از انرژی که در غیر این صورت ممکن است هدر برود، استفاده می‌شوند و هزینه‌ها را برای مدیران کارخانه و سایر اپراتورهای ساختمان کاهش می‌دهند. البته صرفه‌جویی در هزینه‌ها تنها هدف نیست، بلکه صرفه‌جویی در محیط زیست نیز با عدم هدر دادن انرژی در صورت امکان بازیافت و استفاده مجدد از آن نیز هدف است. مبدل‌های حرارتی همچنین کارایی فرآیندهای مختلف از جمله گرم کردن آب یا خنک کردن ساختمان‌ها در هوای گرم را بهبود می‌بخشند.

به عنوان مثال، نیروگاه‌ها اغلب گازهای خروجی گرم شده‌ای تولید می‌کنند که به هوا تخلیه می‌شوند. با این حال، یک مبدل حرارتی قرار گرفته در داخل دودکش‌ها می‌تواند گرمای این گازها را برای گرم کردن آب جاری در لوله‌ها بگیرد، که سپس گرما را به کارخانه باز می‌گرداند. این آب گرم شده سپس می‌تواند برای گرم کردن فضای اداری یا حتی برای گرم کردن گازهای سردتر برای شروع مجدد فرآیند استفاده شود. در حالی که آن‌ها تمام انرژی که در غیر این صورت هدر می‌رفت را بازیافت نمی‌کنند، این نوع سیستم‌های بازیابی حرارت همچنان تضمین می‌کنند که مقدار قابل توجهی هدر نمی‌رود.

گرمای تولید شده توسط موتورها در اتوبوس‌ها می‌تواند از سیالات استفاده شده برای خنک کردن موتور، پس از گرم شدن، استفاده کند و آن‌ها را برای گرم کردن هوای سرد از خارج اتوبوس هنگام پمپاژ به داخل اتوبوس استفاده کند، که نیاز به گرمکن‌های برقی جداگانه در اتوبوس را کاهش می‌دهد.

دوش‌های کم مصرف دارای یک مبدل حرارتی هستند که آب گرم را هنگام پایین رفتن از پلاگین می‌گیرد و از آن برای گرم کردن آب سرد هنگام تغذیه تا سر دوش استفاده می‌کند، بدون اینکه آب پلاگین کثیف با آب تمیز تماس پیدا کند. این بدان معناست که دوش مجبور نیست تمام آبی که استفاده می‌کند را به طور کامل گرم کند.

نتیجه

مبدل‌های حرارتی برای طیف گسترده‌ای از کاربردها در صنعت و مصارف روزمره استفاده می‌شوند.

در حالی که مبدل‌های حرارتی در انواع مختلف طراحی و سیستم‌های جریان وجود دارند، همه آن‌ها به روش مشابهی کار می‌کنند. اجازه دادن به تماس حرارتی بین یک سیال گرمتر و یک سیال سردتر (بدون اختلاط واقعی)، به گونه‌ای که دو سیال یکدیگر را گرم یا خنک می‌کنند.

این کارایی وسایل نقلیه و سایر واحدها را بهبود می‌بخشد و همچنین هزینه‌ها را کاهش می‌دهد و مصرف انرژی (و هر گونه تأثیر زیست‌محیطی مرتبط) را کاهش می‌دهد.